Střídavý proud je proud, jehož velikost a směr se periodicky mění. Právě díky střídavému proudu máme dnes v domácnostech světlo a teplo. Jen díky střídavému proudu fungují všechny průmyslové podniky a výrobní zařízení naší doby. Bez střídavého proudu by technologický pokrok moderní civilizace prostě nebyl možný.
K výrobě střídavého proudu se používají elektromechanická zařízení nazývaná indukční generátory. V nich se mechanická energie získaná tak či onak přenáší na rotor, rotor se otáčí, v důsledku čehož se mechanická energie otáčení rotoru přeměňuje na elektrickou energii prostřednictvím elektromagnetické indukce.
Připomeňme, že pokud otočíte magnetem uvnitř vodivého rámu, bude se v rámu indukovat střídavý proud. Na tomto principu funguje generátor. Pouze u průmyslového generátoru hraje roli rámu stator a roli magnetu rotor s magnetizačním vinutím, v podstatě rotující elektromagnet.
Princip činnosti alternátoru
Princip získávání střídavého proudu při provozu generátoru
Průběh napětí a proudu ve fázi
Generování třífázového napětí
V třífázovém symetrickém napájecím systému U A1 +u B1 +u C1 = 0
V průmyslovém generátoru je stator obrovskou prstencovou ocelovou konstrukcí s drážkami na vnitřní straně. V těchto drážkách je položeno měděné třífázové vinutí. Magnetické pole, jak jsme již řekli, je vytvářeno rotorem, což je ocelové jádro s párem (nebo několika páry, v závislosti na jmenovité rychlosti otáčení rotoru) pólů generovaných proudem ve vinutí rotoru. . Z budiče je do vinutí rotoru přiváděn stejnosměrný proud.
Ze schematického diagramu dvoupólového indukčního generátoru střídavého proudu lze snadno pochopit, že siločáry magnetického pole rotoru protínají závity vinutí statoru, přičemž jednou za otáčku magnetický tok rotoru změní svůj směr. ve vztahu ke stejným závitům statoru.
Vinutí statoru tedy produkuje střídavý proud, nikoli pulzující stejnosměrný proud. Pokud mluvíme o jaderné elektrárně, pak rotor generátoru přijímá mechanickou rotaci z páry, která je pod obrovským tlakem přiváděna na lopatky turbíny spojené s rotorem. Pára se v jaderné elektrárně vyrábí z vody, která je ohřívána teplem z jaderné reakce přiváděným do vody přes výměník tepla.
V Rusku je frekvence střídavého proudu v síti 50 Hz, což znamená, že rotor dvoupólového generátoru musí udělat 50 otáček za sekundu. Takže v jaderné elektrárně dělá rotor 3000 otáček za minutu, což přesně udává frekvenci generovaného proudu 50 Hz. Směr generovaného proudu se mění podle sinusového (harmonického) zákona.
Vinutí generátoru je rozděleno na tři části, takže střídavý proud je třífázový. To znamená, že v každé ze tří částí statorového vinutí je výsledné EMF posunuto ve fázi vůči sobě navzájem o 120 stupňů. Efektivní hodnota napětí generovaného na elektrárně může být od 6,3 do 36,75 kV v závislosti na typu generátoru.
Pro přenos elektrické energie na velké vzdálenosti se používají vysokonapěťová elektrická vedení (PTL). Pokud je ale elektřina přenášena bez konverze, při stejném napětí, které vychází z generátoru, pak energetické ztráty při přenosu budou kolosální a ke koncovému uživateli se prakticky nic nedostane.
Faktem je, že energetické ztráty v přenosových vodičích jsou úměrné druhé mocnině proudu a jsou přímo úměrné odporu vodičů (viz Joule-Lenzův zákon). To znamená, že pro efektivnější přenos a distribuci elektřiny je třeba nejprve několikrát zvýšit napětí, aby se proud snížil o stejnou hodnotu a následně se výrazně snížily transportní ztráty. A pouze zvýšené napětí má smysl přenášet na elektrické vedení.
Elektřina z elektrárny je proto nejprve dodávána do trafostanice. Zde se napětí zvýší na 110-750 kV a teprve poté je přivedeno do vodičů elektrického vedení. Spotřebitel však potřebuje 220 nebo 380 voltů, takže na konci vedení se vysoké napětí opět sníží, opět pomocí transformátorových rozvoden, na 6-35 kV.
Transformátor je instalován na rozvodně v blízkosti našeho domu nebo zabudovaný do domu. Zde napětí opět klesá – z 6-35 kV na 220 (380) voltů, které jsou již distribuovány spotřebitelům. Síť drátů a kabelů se rozptyluje přes vstupní distribuční zařízení do různých místností.
Telegramový kanál pro ty, kteří se chtějí každý den učit nové a zajímavé věci: Škola pro elektrikáře
Pokud se vám tento článek líbil, sdílejte odkaz na něj na sociálních sítích. Velmi to pomůže rozvoji našeho webu!
Střídavý proud, v tradičním smyslu, je proud získaný v důsledku střídavého, harmonicky se měnícího (sinusového) napětí. V elektrárně se generuje střídavé napětí, které je neustále přítomno v jakékoli zásuvce.
Pro přenos elektřiny na velké vzdálenosti se také používá střídavý proud, protože střídavé napětí lze snadno zvýšit pomocí transformátoru, a tak lze elektrickou energii přenést na vzdálenost s minimálními ztrátami a poté ji pomocí transformátoru snížit na hodnotu přijatelnou pro domácí síť.
Generování střídavého napětí (a tedy proudu) se provádí v elektrárně, kde jsou průmyslové generátory střídavého proudu poháněny turbínami poháněnými vysokotlakou párou. Pára se vyrábí z vody, která je vysoce ohřátá teplem vznikajícím při jaderné reakci nebo spalováním fosilních paliv, v závislosti na typu elektrárny. V každém případě je rotace alternátoru tím, co způsobuje vznik střídavého napětí a proudu.
K zodpovězení otázky, jak vzniká střídavý proud v generátoru, stačí uvažovat o elementárním modelu sestávajícím z kusu drátu a magnetu, který současně připomíná Lorentzovu sílu a zákon elektromagnetické indukce. Řekněme, že na stole leží drát o délce 10 cm a my máme v ruce silný neodymový magnet, jehož velikost je o něco menší než drát. Na konce drátu připojíme citlivý galvanometr nebo ukazatelový voltmetr.
Přibližme magnet jedním z pólů k drátu na vzdálenost menší než 1 cm a rychle magnetem po drátu přes něj posouváme zleva doprava – zkřížíme vodič s magnetickým polem magnetu . Jehla galvanometru se prudce vychýlí v určitém směru a poté se vrátí do své původní polohy.
Otočme magnet druhým pólem směrem k drátu. A opět pohybem ruky zleva doprava rychle zkřížíme experimentální vodič s magnetickým polem. Ručička galvanometru se prudce odchýlila opačným směrem a pak se vrátila do původní polohy. Místo otáčení magnetu se můžete nejprve pohybovat zleva doprava a poté zprava doleva, účinek změny směru generovaného proudu bude podobný.
Experiment ukázal, že abychom získali střídavé napětí, musíme buď pohybovat magnetem po drátu doprava a doleva, nebo křížit vodič se střídavými magnetickými póly. Generátor elektrárny (a všechny tradiční alternátory) využívá druhou možnost.
Principem činnosti generátoru je produkovat proměnnou elektromotorickou sílu (napětí)
Střídavé sinusové napětí
Generátor střídavého proudu v elektrárně se skládá z rotoru a statoru. Mechanická energie rotující turbíny se přenáší na rotor. Magnetické pole rotoru je soustředěno na jeho pólových nástavcích a je vytvářeno buď permanentními magnety, které jsou k němu připevněny, nebo stejnosměrným napěťovým proudem protékajícím měděným vinutím rotoru.
Typicky se vinutí statoru skládá ze tří samostatných vinutí vzájemně posunutých v prostoru, což má za následek střídavé napětí a proud v každém ze tří vinutí. Každé ze tří statorových vinutí je tedy zdrojem střídavého napětí a okamžité hodnoty napětí jsou vzájemně fázově posunuty o 120 stupňů. Toto se nazývá třífázový střídavý proud.
Získání třífázového střídavého napětí a proudu
Rotor generátoru se dvěma magnetickými póly, otáčející se frekvencí 3000 otáček za minutu, vytváří 50 přechodů každé fáze statorového vinutí za sekundu. A protože mezi magnetickými póly je nulový bod, tedy místo, kde je indukce magnetického pole nulová, tak při každé celé otáčkě rotoru projde napětí indukované ve vinutí nulou a následně změní polaritu. Výsledkem je, že výstupní napětí má sinusový tvar a frekvenci 50 Hz.
Když je zdroj střídavého napětí připojen k zátěži, v obvodu vzniká střídavý proud. Napětí a maximální přípustný proud statoru jsou tím větší, čím silnější je magnetické pole rotoru, tzn. tím větší proud teče ve vinutí rotoru. U synchronních generátorů s vnějším buzením je napětí a proud ve vinutí rotoru vytvářen tyristorovým budicím systémem neboli budičem – malým generátorem na hřídeli hlavního generátoru.
Telegramový kanál pro ty, kteří se chtějí každý den učit nové a zajímavé věci: Škola pro elektrikáře
